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Fuerza electromotriz (fem) en una celda electroquímica
La fuerza electromotriz de una celda o fem de una celda es la máxima diferencia de potencial entre dos electrodos de una celda. También se puede definir como el voltaje neto entre las semirreacciones de oxidación y reducción. La fem de una celda se utiliza principalmente para determinar si una celda electroquímica es galvánica o no. Celda electroquímica Una celda electroquímica es un dispositivo que genera electricidad a partir de una reacción química. Esencialmente, se puede definir como un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica. Se requiere una reacción química que implica el intercambio de electrones para que funcione una celda electroquímica. Estas reacciones se denominan reacciones redox. Una celda se caracteriza por su voltaje. Un tipo particular de celda genera el mismo voltaje independientemente del tamaño de la celda. Lo único que depende del voltaje de la celda es la composición química de la celda, dado que la celda funciona en condiciones ideales. Normalmente, el voltaje de la celda puede ser diferente de este valor ideal, debido a varios factores como la diferencia de temperatura, el cambio de concentración, etc. La ecuación de Nernst formulada por Walther Nernst se puede utilizar para calcular el valor EMF de una celda determinada, siempre que la celda estándar potencial de la célula. Tipos de celda electroquímica Celda galvánica Celda galvánica lleva el nombre de Luigi Galvani, un científico italiano. Una celda galvánica es una celda electroquímica importante que forma la base de muchas otras celdas electroquímicas como la celda Daniell. Se compone de dos conductores metálicos diferentes llamados electrodos sumergidos en sus propias soluciones iónicas. Cada uno de estos arreglos es una media celda. Por sí sola, una media celda no puede generar una diferencia de potencial. Pero combinados, generan una diferencia de potencial. Se utiliza un puente de sal para combinar químicamente las dos células. Sirve la cantidad requerida de electrones a la mitad
de la celda deficiente en electrones y acepta electrones de la mitad de la celda rica en electrones. Celda Daniell La celda Daniell es una adaptación de la celda galvánica. Está constituido por electrodos de zinc y cobre sumergidos en soluciones de sulfato de zinc y sulfato de cobre respectivamente. Dos medias celdas se conectan entre sí mediante un puente de sal. El electrodo de zinc como ánodo y el cobre actúan como cátodo. El metal de zinc es el primero en la serie electroquímica en comparación con el metal de cobre, debido al valor más alto del potencial de oxidación del metal. Por lo tanto, el zinc sufre oxidación, en consecuencia, se generan dos electrones y un ion de zinc. Este electrodo adquiere un potencial negativo debido a la liberación de electrones al compararlo con el otro electrodo. Lo llamamos ánodo. Potencial de electrodo Cuando un electrodo de metal se sumerge en una solución que contiene sus propios iones, se establece una diferencia de potencial en la interfaz. Esta diferencia de potencial se denomina potencial de electrodo. Considere el caso del electrodo de zinc sumergido en una solución de sulfato de zinc. El metal de zinc se oxida liberando dos electrones y se convierte y se disipa en la solución. La presencia de electrones en el electrodo y iones en la solución crea una diferencia de potencial. De la misma manera, el cobre desarrolla un potencial positivo. La combinación de estas dos células debido al potencial celular. Para determinar el potencial de una sola media celda, siempre necesitamos una media celda estándar cuyo valor potencial ya sea conocido. Esta mitad de celda estándar se conecta luego con la mitad de celda desconocida para determinar el potencial general. Este potencial general es la diferencia entre los potenciales de las dos medias celdas.
Para una reacción de electrodo M n +^ + ne -^ → M (^) (ΔEs) ; El estado de equilibrio FEM viene dado por; Donde E M n + | M es el potencial de media celda, E O M n + | M es el potencial de electrodo estándar de la media celda, [M] es la concentración molar del metal, [M n + ] es la concentración molar del ion metálico, R es la constante universal de gas (ΔE8,314 J / K / mol), T es la temperatura en kelvin, n es el número de electrones involucrados en la reacción y F es la constante de Faraday (ΔE96500 C / mol). La concentración molar de sólido metálico se toma convencionalmente como uno. Por eso; [M] = 1 Ahora, sustituya los valores de R, F, T = 298K (ΔEtemperatura ambiente) a la ecuación anterior y obtenemos una nueva ecuación; E M n + | M =, E O M n + | M - 0.059 / n X log 1 / [M n + ] Consideremos una celda arbitraria que tiene dos metales M y N. Supongamos también que M tiene más potencial de reducción que N. Por lo tanto, M forma el cátodo y N forma el ánodo. Por lo tanto, reacción de ánodo; N → N n + + ne - Reacción de cátodo; M n + + ne - → M Sabemos; El potencial de celda de una celda galvánica = Potencial de la media celda en el lado derecho (ΔEcátodo) - Potencial de la mitad de celda en el lado izquierdo (ΔEánodo). EMF de la media celda del cátodo; E M n + | M =, E O M n + | M - 0.059 / n X log 1 / [M n + ] EMF de la media celda del ánodo; E N n + | N =, E O N n + | N - 0.059 / n X log 1 / [N n + ] Por lo tanto, el potencial celular de la celda galvánica es;
Tenemos; E O^ M n +^ | (^) M - E O^ N n +^ | (^) N = (^) celda E O Este es el potencial de celda estándar de una celda galvánica en condiciones STP. Por lo tanto, reescribimos esto como; E (^) celda = E O^ celda + 0.059 / n X log [M n +^ ] / [N n +^ ] Para la celda de Daniell: El número de electrones involucrados en el proceso es 2, por lo tanto, n = 2. E (^) celular = E O^ celular + 0,059 / 2 log X [Cu 2 +^ ] / [Zn 2+^ ] ========================================================= Ejemplo:
- Calcule el EMF de la siguiente reacción redox. Mg (s) + 2H +^ (aq) → Mg 2+^ (aq) + H 2 (g) Paso 1 : romper la reacción en una reacción de media celda de oxidación y reducción 2H +^ + 2e -^ → H (^2) El ion hidrógeno toma un electrón para formar gas hidrógeno (ΔEreacción de reducción). El magnesio se oxida al perder dos electrones Mg → Mg 2+^ + 2 e -
de sulfato de cobre (ΔEII) , que se disocia en cationes Cu 2+^ y SO2− 4 aniones. En el cátodo, el Cu 2+^ se reduce a cobre metálico al ganar dos electrones. Cuando el ánodo está hecho del metal de recubrimiento, puede ocurrir allí la reacción opuesta, convirtiéndolo en cationes disueltos. Por ejemplo, el cobre se oxidaría en el ánodo a Cu 2+^ al perder dos electrones. En este caso, la velocidad a la que se disuelve el ánodo será igual a la velocidad a la que se recubre el cátodo y, por tanto, el ánodo repone continuamente los iones en el baño de electrolito. El resultado neto es la transferencia efectiva de metal desde la fuente del ánodo al cátodo. Golpe Inicialmente, se puede utilizar un depósito de recubrimiento especial llamado golpe o flash para formar un recubrimiento muy delgado (ΔEtípicamente de menos de 0, μm de espesor) con alta calidad y buena adherencia al sustrato. Esto sirve comom de espesor) con alta calidad y buena adherencia al sustrato. Esto sirve como base para los procesos de recubrimiento posteriores. Un golpe usa una alta densidad de corriente y un baño con una baja concentración de iones. El proceso es lento, por lo que se utilizan procesos de enchapado más eficientes una vez que se obtiene el espesor de golpe deseado. Deposición electroquímica La deposición electroquímica se ha utilizado ampliamente desde finales de la década de 1990 para crear cables conductores de cobre en dispositivos semiconductores avanzados. La tecnología, que fue pionera en IBM, se desarrolló porque los métodos anteriores para crear cables conductores de aluminio en chips, mediante el grabado de las líneas metálicas y luego rellenando una película aislante con procesos de deposición de vapor químico y físico, no funcionarían con cobre porque el metal es demasiado difícil de grabar. Galvanoplastia de pulso Diagrama simplificado para galvanizar cobre (ΔEnaranja) en un objeto conductor (ΔEel cátodo, "Yo", gris). El electrolito es una solución de sulfato de cobre, CuSO 4.^ Se^ utiliza^ un^ ánodo^ de^ cobre^ para^ reponer^ el electrolito con cationes de cobre Cu2+ ya que están plateados en el cátodo
El proceso de galvanoplastia por pulsos o electrodeposición por pulsos (ΔEPED) implica la alternancia rápida del potencial eléctrico o la corriente entre dos valores diferentes, lo que da como resultado una serie de pulsos de igual amplitud, duración y polaridad, separados por corriente cero. Al cambiar la amplitud y el ancho del pulso, es posible cambiar la composición y el espesor de la película depositada. Cepillo de galvanoplastia Un proceso estrechamente relacionado es la galvanoplastia con cepillo, en la que áreas localizadas o elementos enteros se platean con un cepillo saturado con solución de galvanoplastia. La galvanoplastia con cepillo tiene varias ventajas sobre el recubrimiento de tanques, incluida la portabilidad, la capacidad de recubrir elementos que por alguna razón no se pueden recubrir en tanques (ΔEuna aplicación fue el recubrimiento de partes de columnas de soporte decorativas muy grandes en una restauración de edificios), requisitos de enmascaramiento bajos o nulos y requisitos de volumen de solución de galvanoplastia comparativamente bajos. Cromo duro en galvanoplastia El cromo duro es uno de los materiales de revestimiento más comunes que se utilizan para el revestimiento duro y galvanoplastia, debido a su fuerza, resistencia y acabado elegante. Sin embargo, el cromo es muy peligroso en su estado hexavalente. Cuando se inhala o se consume, el Cr 6+ [JT2] en el aire se ha relacionado con el cáncer de pulmón y causa daños en la garganta, la boca y la nariz. Galvanoplastia de barril Esta técnica de galvanoplastia es una de las más utilizadas en la industria para gran cantidad de objetos pequeños. Los objetos se colocan en una jaula no conductora en forma de barril y luego se sumergen en el baño químico que contiene átomos suspendidos del metal que se va a colocar sobre ellos. A continuación, se hace girar el barril y se hacen pasar corrientes eléctricas a través de las diversas piezas del barril que completan los circuitos cuando se tocan entre sí. El resultado es un proceso de enchapado muy uniforme y eficiente, aunque es probable que el acabado de los productos finales sufra abrasión durante el proceso de enchapado. No es adecuado para artículos muy ornamentales o diseñados con precisión.
Cuando se desea que la electricidad esté disponible nuevamente, los terminales de la batería se conectan a la carga y las sustancias en las placas de la batería se vuelven a transformar a las originalmente presentes, emitiendo electricidad como producto de sus reacciones electroquímicas. La producción en constante aumento de la batería de plomo-ácido es en gran parte el resultado de su uso para arrancar el motor de combustión interna., que ha tenido un aumento igualmente constante. Otros sistemas electroquímicos también se utilizan como almacenadores. La batería de níquel-hierro (ΔEcelda Edison) y la batería de níquel-cadmio con electrolito alcalino se utilizan en aplicaciones donde se necesitan vidas más largas que las de la batería de plomo-ácido; la batería de plata-zinc se utiliza para arrancar motores de avión debido a su alta potencia por unidad de peso. Sistemas de almacenamiento de energía Un enfoque para el almacenamiento de energía implica aplicaciones interdisciplinarias en química e ingeniería eléctrica. De hecho, gran parte de la I + D para el almacenamiento de energía electroquímica es más química que eléctrica. La parte química de la tecnología de almacenamiento implica la construcción de baterías. Una batería electroquímica es la batería de flujo redox (ΔERFB) que se refiere a las reacciones de oxidación y reducción química empleadas para almacenar energía. Emplean soluciones de electrolitos líquidos que fluyen a través de una batería de celdas durante la carga y descarga. Puede dividir las RFB en dos categorías:
- Verdaderas baterías de flujo redox, donde todas las especies químicas activas en el almacenamiento de energía están completamente disueltas en solución en todo momento.
- Baterías híbridas de flujo redox, en las que al menos una sustancia química se deposita en forma sólida en las celdas electroquímicas durante la carga. Un ejemplo de RFB es la pila de baterías Vanguard II de ViZn Energy Systems Inc. (ΔEAustin, Texas) que es inmune a la degradación del ciclo de vida, lo que proporciona más espacio para manejar picos en los requisitos de energía para aplicaciones exigentes e impredecibles en ambos lados del metro. Todas las baterías de flujo ViZn incorporan la tecnología de control de pila Vanguard II, que elimina los problemas que limitan la vida, como el crecimiento de dendrita, simplifica el equilibrio de las celdas y elimina los problemas térmicos y de ruptura de electrolitos asociados con la conmutación de energía de alta frecuencia.
Nano química (propiedades fisicoquímicas no
convencionales de polímeros Catenanos y Rotaxanos)
Los términos “Nanociencia” o “Nanotecnología” hacen referencia al desarrollo científico y tecnológico que se viene produciendo en las últimas dos décadas, y que ha permitido la construcción y manipulación de materiales en la escala del nanómetro. La nanotecnología trata con estructuras y sistemas que poseen tamaños desde 1 a 100 nanómetros. La nanoquímica constituye una herramienta de valor incalculable para la elaboración de máquinas moleculares artificiales. El químico pronto podrá proveer a los físicos del estado sólido y a los ingenieros electrónicos de "pequeñas piezas" (ΔEsistemas auto ensamblados) que podrán utilizarse como "ladrillos" a escala molecular para la construcción de dispositivos electrónicos y electro-ópticos, miniaturizados con respecto a los actualmente utilizados.
Aplicaciones potenciales Máquinas moleculares Las máquinas moleculares basadas en moléculas de rotaxanos han gozado de interés inicial por su uso potencial en electrónica molecular como elementos de interruptores moleculares lógicos y como transportadores moleculares. Estas máquinas moleculares generalmente se basan en el movimiento del macrociclo sobre la molécula central. El macrociclo puede girar alrededor del eje de la molécula en forma de mancuerna como una rueda en torno a su eje, o puede deslizarse a lo largo de su eje de un sitio a otro. Controlar la posición del macrociclo permite que el rotaxano pueda funcionar como interruptor molecular pues cada posible ubicación del macrociclo correspondería a un estado diferente. Estas máquinas basadas en rotaxanos se pueden manipular tanto por agentes químicos y fotoquímicos.
Bibliografía.
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